一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，包括分光穿透成像鏡組、反射鏡、虛擬中繼成像鏡組和微型顯示器，分光穿透成像鏡組包括半透半反平面鏡和凹面透鏡,在眼睛與物側(cè)之間沿第一光軸L1依次布置半透半反平面鏡和凹面透鏡，在分光穿透成像鏡組的一側(cè)設(shè)置反射鏡，反射鏡、虛擬中繼成像鏡組和微型顯示器沿第二光軸L2分布微型顯示器顯示的像源通過虛擬中繼成像鏡組的放大后經(jīng)過反射鏡反射到半透半反平面鏡再透過凹面透鏡并放大，在物側(cè)形成放大的虛像，它的視場(chǎng)角大、分辨率高，出瞳直徑大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝難度小，加工成本低。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)
本技術(shù)涉及一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為便利日常生活、學(xué)習(xí)教育及工作，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，所謂增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是在真實(shí)的環(huán)境中添加計(jì)算機(jī)生成圖像的技術(shù)，現(xiàn)實(shí)世界和增強(qiáng)環(huán)境可以同時(shí)交互，用戶可以進(jìn)行數(shù)字化操作。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟，應(yīng)用程序的數(shù)量不斷增加，它正在改變我們的購(gòu)物、娛樂、工作方式，而想實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，則需要應(yīng)用AR光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。目前的AR光學(xué)系統(tǒng)都是由微型顯示屏和光學(xué)元件組成，而目前一般的AR光學(xué)系統(tǒng)最常用的實(shí)現(xiàn)方式:1)有自由曲面棱鏡組,2)幾何光波導(dǎo),3)衍射光波導(dǎo)。以上3種方式的AR光學(xué)系統(tǒng)以下共同的缺點(diǎn)：1、視場(chǎng)角(FOV)均不超過50°,分辨率低；2、出瞳直徑有小；3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大，加工成本高；4、厚度大,佩戴不變。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的主要目的是提供一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的AR光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角均不超過50°、分辨率低，出瞳直徑有小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大，加工成本高的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括分光穿透成像鏡組、反射鏡、虛擬中繼成像鏡組和微型顯示器，其中：分光穿透成像鏡組包括半透半反平面鏡和凹面透鏡,在眼睛與物側(cè)之間沿第一光軸L1依次布置半透半反平面鏡和凹面透鏡，在眼睛側(cè)與半透半反平面鏡之間設(shè)置出瞳，眼睛透過出瞳、半透半反平面鏡和凹面透鏡能觀看物側(cè)的真實(shí)景物；在分光穿透成像鏡組的一側(cè)設(shè)置反射鏡，反射鏡、虛擬中繼成像鏡組和微型顯示器沿第二光軸L2分布，虛擬中繼成像鏡組位于反射鏡、微型顯示器之間，微型顯示器顯示的像源通過虛擬中繼成像鏡組的放大后經(jīng)過反射鏡反射到半透半反平面鏡再透過凹面透鏡并放大，在物側(cè)形成放大的虛像，眼睛透過出瞳和分光穿透成像鏡組可觀看到在物側(cè)形成的微型顯示器的像源對(duì)應(yīng)的虛像，物側(cè)的真實(shí)景物與虛像的疊加形成AR功能。上述的虛擬中繼成像鏡組包括從反射鏡至微型顯示器依次沿第二光軸L2分布的正光焦度的第一透鏡、負(fù)光焦度的第二透鏡、正光焦度的第三透鏡、正光焦度的第四透鏡、負(fù)光焦度的第五透鏡和平面鏡。上述所述第一透鏡的焦距為f1,所述第二透鏡的焦距為f2，兩者滿足如下關(guān)系：-2.0≤f1/f2≤-0.3。上述所述正光焦度的第三透鏡的焦距為f3,所述正光焦度的第四透鏡的焦距為f4，兩者滿足如下關(guān)系：f3/f4＝1。上述所述第二透鏡的焦距為f2，所述的負(fù)光焦度的第五透鏡的焦距為f5，兩者滿足如下關(guān)系：-0.8≤f2/f5≤0.8。上述的凹面透鏡具有正光焦度且凹面的一側(cè)朝向出瞳，半透半反平面鏡和凹面透鏡沿第一光軸L1的最大距離H滿足：22mm≤H≤27.5mm。上述半透半反平面鏡與第一光軸L1的夾角α滿足：40°≤α≤70°。上述所述虛擬中繼成像鏡組的焦距為fL，所述分光穿透成像鏡組的焦距為fs，其滿足關(guān)系式：0.2≤fL/fs≤1。上述的分光穿透成像鏡組和虛擬中繼成像鏡組中全部鏡片組成的光學(xué)系統(tǒng)的總焦距fo滿足：-50≤fo≤0。上述的半透半反平面鏡是玻璃平板鏡片，半透半反平面鏡的左側(cè)面是透射面，半透半反平面鏡的右側(cè)面為半透半反面；凹面透鏡是半透半反塑料非球面凹面透鏡片，其凹面朝向出瞳側(cè)且凸面朝向物側(cè)；反射鏡是玻璃平面反射鏡片；所述正光焦度的第一透鏡為玻璃球面鏡片，曲率半徑較小的球面為凸面并背離微型顯示器，曲率半徑較大的球面為凸面并朝向微型顯示器；所述負(fù)光焦度的第二透鏡為塑料非球面鏡片，面形較平坦的面背離微型顯示器，面形較凹的面朝向微型顯示器；所述正光焦度的第三透鏡和正光焦度的第四透鏡都為玻璃球面鏡片，正光焦度的第三透鏡和正光焦度的第四透鏡是面形、厚度、材質(zhì)完全一樣的同種鏡片，并沿光軸對(duì)稱設(shè)置，其平坦面相對(duì)，而較凸面相背；所述負(fù)光焦度的第五透鏡是塑料非球面鏡片，負(fù)光焦度的第五透鏡中心的凹面朝向微型顯示器；平面鏡是玻璃平面鏡片。上述的微型顯示器與平面鏡之間留有一定的空氣間隔距離，使微型顯示器沿第二光軸L2來回移動(dòng)，可進(jìn)行視度調(diào)節(jié)。上述的出瞳直徑大于10mm。上述的負(fù)光焦度的第二透鏡和負(fù)光焦度的第五透鏡的折射率為nd,負(fù)光焦度的第二透鏡和負(fù)光焦度的第五透鏡的阿貝數(shù)為vd，其滿足關(guān)系式：4.7<nd+In(vd)<6。本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)具有較大視場(chǎng)角，視場(chǎng)角FOV≥60°，在60°—85°的范圍；2、出瞳直徑大于10mm，一般在10mm-12mm范圍；3、高分辨率：微型顯示器的屏幕長(zhǎng)寬比是4:3時(shí)，分辨率≥1600*1200；微型顯示器的屏幕長(zhǎng)寬比是16:9時(shí)，分辨率≥2560*1440；4、長(zhǎng)出瞳距離：出瞳距離≥16.5mm5、厚度≤27.5mm，比較薄，便于佩戴；6、TV畸變≤0.4％7、本技術(shù)的大部分鏡片都是通用的鏡片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。附圖說明圖1為本技術(shù)提供的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本技術(shù)提供的成像原理圖；圖3為本技術(shù)提供的立體圖；圖4為本技術(shù)提供的主視圖；圖5為本技術(shù)提供的側(cè)視圖；圖6為本技術(shù)提供的第一解析MTF圖；圖7為本技術(shù)提供的第二解析TF-MTF圖；圖8為本技術(shù)提供的SPOT圖；圖9為本技術(shù)提供的場(chǎng)曲畸變圖；圖10是本技術(shù)提供的溫度是零下-20度的解析MTF圖；圖11是本技術(shù)提供的溫度是60度的解析MTF圖；具體實(shí)施方式為使本技術(shù)實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本技術(shù)保護(hù)的范圍。如圖1至圖11所示，本實(shí)施例提供了一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，包括分光穿透成像鏡組1、反射鏡2、虛擬中繼成像鏡組3和微型顯示器4，其中：分光穿透成像鏡組1包括半透半反平面鏡11和凹面透鏡12,在眼睛與物側(cè)之間沿第一光軸L1依次布置半透半反平面鏡11和凹面透鏡12，在眼睛側(cè)與半透半反平面鏡11之間設(shè)置出瞳5，眼睛透過出瞳5、半透半反平面鏡11和凹面透鏡12能觀看物側(cè)的真實(shí)景物；在分光穿透成像鏡組1的一側(cè)設(shè)置反射鏡2，反射鏡2、虛擬中繼成像鏡組3和微型顯示器4沿第二光軸L2分布，虛擬中繼成像鏡組3位于反射鏡2、微型顯示器4之間，微型顯示器4顯示的像源通過虛擬中繼成像鏡組3的放大后經(jīng)過反射鏡2反射到半透半反平面鏡11再透過凹面透鏡12并放大，在物側(cè)形成放本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括分光穿透成像鏡組(1)、反射鏡(2)、虛擬中繼成像鏡組(3)和微型顯示器(4)，其中：/n分光穿透成像鏡組(1)包括半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12),在眼睛與物側(cè)之間沿第一光軸L1依次布置半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12)，在眼睛側(cè)與半透半反平面鏡(11)之間設(shè)置出瞳(5)，眼睛透過出瞳(5)、半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12)能觀看物側(cè)的真實(shí)景物；/n在分光穿透成像鏡組(1)的一側(cè)設(shè)置反射鏡(2)，反射鏡(2)、虛擬中繼成像鏡組(3)和微型顯示器(4)沿第二光軸L2分布，虛擬中繼成像鏡組(3)位于反射鏡(2)、微型顯示器(4)之間，微型顯示器(4)顯示的像源通過虛擬中繼成像鏡組(3)的放大后經(jīng)過反射鏡(2)反射到半透半反平面鏡(11)再透過凹面透鏡(12)并放大，在物側(cè)形成放大的虛像，眼睛透過出瞳(5)和分光穿透成像鏡組(1)可觀看到在物側(cè)形成的微型顯示器(4)的像源對(duì)應(yīng)的虛像,物側(cè)的真實(shí)景物與虛像的疊加形成AR功能。/n

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：包括分光穿透成像鏡組(1)、反射鏡(2)、虛擬中繼成像鏡組(3)和微型顯示器(4)，其中：
分光穿透成像鏡組(1)包括半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12),在眼睛與物側(cè)之間沿第一光軸L1依次布置半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12)，在眼睛側(cè)與半透半反平面鏡(11)之間設(shè)置出瞳(5)，眼睛透過出瞳(5)、半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12)能觀看物側(cè)的真實(shí)景物；
在分光穿透成像鏡組(1)的一側(cè)設(shè)置反射鏡(2)，反射鏡(2)、虛擬中繼成像鏡組(3)和微型顯示器(4)沿第二光軸L2分布，虛擬中繼成像鏡組(3)位于反射鏡(2)、微型顯示器(4)之間，微型顯示器(4)顯示的像源通過虛擬中繼成像鏡組(3)的放大后經(jīng)過反射鏡(2)反射到半透半反平面鏡(11)再透過凹面透鏡(12)并放大，在物側(cè)形成放大的虛像，眼睛透過出瞳(5)和分光穿透成像鏡組(1)可觀看到在物側(cè)形成的微型顯示器(4)的像源對(duì)應(yīng)的虛像,物側(cè)的真實(shí)景物與虛像的疊加形成AR功能。


2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：虛擬中繼成像鏡組(3)包括從反射鏡(2)至微型顯示器(4)依次沿第二光軸L2分布的正光焦度的第一透鏡(31)、負(fù)光焦度的第二透鏡(32)、正光焦度的第三透鏡(33)、正光焦度的第四透鏡(34)、負(fù)光焦度的第五透鏡(35)和平面鏡(36)。


3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第一透鏡(31)的焦距為f1,所述第二透鏡(32)的焦距為f2，兩者滿足如下關(guān)系：-2.0≤f1/f2≤-0.3。


4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述正光焦度的第三透鏡(33)的焦距為f3,所述正光焦度的第四透鏡(34)的焦距為f4，兩者滿足如下關(guān)系：f3/f4＝1。


5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述第二透鏡(32)的焦距為f2，所述的負(fù)光焦度的第五透鏡(35)的焦距為f5，兩者滿足如下關(guān)系：-0.8≤f2/f5≤0.8。


6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種高分辨率大視場(chǎng)角及大出瞳直徑的AR光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：凹面透鏡(12)具有正光焦度且凹面(121)的一側(cè)朝向出瞳(5)，半透半反平面鏡(11)和凹面透鏡(12)沿第一光軸L1的最大距離H滿足：22mm≤H≤27.5mm。


7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種高分辨...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：賈懷昌，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：賈懷昌，
類型：新型
國(guó)別省市：廣東;44